JP5323500B2

JP5323500B2 - 下水汚泥の脱臭方法

Info

Publication number: JP5323500B2
Application number: JP2008556133A
Authority: JP
Inventors: 英輝神田; 尚夫牧野; 真由美森田; 敬三竹上; 昭雄吉越; 正純高橋
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tsukishima Kikai Co Ltd
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: WO2008093707A1; JPWO2008093707A1; CN101600661A; CN101600661B

Description

本発明は、下水汚泥、中でも特に脱水ケーキの脱臭方法に関するものである。

下水汚泥には、様々な悪臭物質が含まれており、これら悪臭物質は、精神的な不快感の原因となるほか、健康上の悪影響の原因にもなり得るものである。このような悪臭物質を含む下水汚泥の脱臭方法としては、消臭剤の添加（特開２０００−２８８５９２号公報（特許文献１）、特開平１０−２９５７９１号公報（特許文献２）など）や脱臭設備の設置（下水道施設計画・設計指針と解説−後編−２００１年版／（社）下水道協会編（非特許文献１）など）など様々な技術が開発されている。しかし、下水汚泥の悪臭に対してこれらの技術を適用する場合、消臭剤であれば消費量が多くコストが高くなるという問題があった。また、脱臭設備を設置すると設置コストに加え、活性炭が消費材として必要であり、特に悪臭として知られるメチルメルカプタンなどの硫化成分を常温・非加熱、かつ低コスト・省エネで十分に除去することが困難であるという問題があった。

特開２０００−２８８５９２号公報特開平１０−２９５７９１号公報下水道施設計画・設計指針と解説−後編−２００１年版／（社）下水道協会編

本発明は、下水汚泥、中でも特に脱水ケーキなどから悪臭物質である硫化成分、特にメチルメルカプタンを除去できる技術を提供することを目的とする。

本発明者らは上記目的に鑑みて検討を重ねた結果、常温常圧の条件下で気体である物質の、容易に気化して液体（液化物）から気体へと変換する現象が下水汚泥の脱臭に有効であることを見出した。前記物質の気体−液体間の変換は温和な条件下でも実施可能であるので、脱臭処理のための大規模な設備は不要であり、しかも前記物質は気体−液体間の変換を繰り返すことにより再利用が可能であることから省エネルギーかつ資源保護の面でも優れていることにも着目した。本発明は係る知見に基づくものである。

本発明は、以下の発明を提供するものである。
〔１〕下水汚泥に、常温常圧の条件下で気体である物質の液化物を接触させた後、当該液化物を気化することを特徴とする下水汚泥の脱臭方法。
〔２〕前記下水汚泥は、脱水ケーキであることを特徴とする〔１〕に記載の脱臭方法。
〔３〕前記常温常圧の条件下で気体である物質は、２５℃および１気圧において気体である物質であることを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載の脱臭方法。
〔４〕前記常温常圧の条件下で気体である物質は、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ホルムアルデヒド、ケテン、アセトアルデヒド、ブタン、およびプロパンから選ばれる１種または２種以上の混合物であることを特徴とする〔１〕〜〔３〕のいずれか一項に記載の脱臭方法。
〔５〕下水汚泥の脱臭を行う脱臭装置であって、下水汚泥と常温常圧の条件下で気体である物質の液化物とを接触させる接触槽と、前記接触槽において下水汚泥から悪臭物質を抽出した前記物質の液体と下水汚泥を固液分離させる固液分離槽と、分離後の液層から前記常温常圧の条件下で気体である物質の少なくとも一部を気体として抽出する濃縮器とを備えることを特徴とする脱臭装置。

本発明によれば、下水汚泥を、常温常圧の条件下で気体である物質を利用して温和な条件で効率よく脱臭することができる。特に、悪臭物質としての硫化成分、中でもメチルメルカプタンに対し非常に有効である。また、本発明で用いる常温常圧の条件下で気体である物質は、温和な条件下で気体−液体間の変換を行うことができるので、脱臭処理のための大規模な設備は不要であり、しかも前記変換を繰り返すことにより再利用が可能であり資源保護の点でも有用である。

図１は、本発明の脱臭装置の一例である脱臭装置１の概念図である。図２は、本発明の脱臭装置の一例である脱臭装置２の概念図である。

符号の説明

１１液化ジメチルエーテル（ＤＭＥ）供給部
１２液化ＤＭＥ
１３下水汚泥供給部
１４下水汚泥
１５接触槽
１６処理物（液化ＤＭＥ＋下水汚泥）
１７固液分離槽
１８微臭処理物
１９液体
２０濃縮器
２１気体（気化ＤＭＥ＋臭気成分）
２２排水
２３ＤＭＥ分離液化装置
２４液化ＤＭＥ（再生）

（脱臭方法）
本発明の脱臭方法は、下水汚泥に、常温常圧の条件下で気体である物質の液化物を接触させた後、当該液化物を気化することを特徴とする。

まず、本発明の脱臭方法においては、常温常圧の条件下で気体である物質の液化物を接触させる。
常温常圧の条件下で気体である物質とは、常温かつ常圧の範囲内に含まれる任意の温度および圧力条件下において少なくとも気体状態で存在する物質を意味する。すなわち、常温かつ常圧の範囲内に含まれる温度Ａおよび圧力Ｂの条件下において気体状態を示す物質であれば、常温常圧の条件下で含まれる温度Ａ以外の温度および圧力Ｂ以外の圧力においては気体状態を示さないものであっても良い。

ここで常温とは外気温に近い温度を意味し、一般には−１０〜５０℃、特に０〜４０℃の範囲を意味する。また、常圧とは外気圧に近い圧力を意味し、一般に１気圧前後の範囲を意味する。

常温常圧の条件下で気体である物質としては、具体的には、２５℃および１気圧の条件下で気体である物質、０℃および１気圧の条件下で気体である物質が好ましく、特に、２５℃および１気圧の条件下で気体状態であり、かつ０℃および１気圧の条件下でも気体である物質がもっとも好ましい。

常温常圧の条件下で気体である物質は、少ない所要エネルギーでの脱臭を可能とする観点から、沸点が常温付近またはそれ以下である物質であることが好ましい。特に沸点が２５℃以下、中でも１０℃以下、さらに−５℃以下が好ましい。沸点が常温を超える物質であると、該物質の液化物を気化させるために高温のエネルギー源が必要となり、脱臭に要するエネルギーが増大することが予想されるので、好ましくない。

常温常圧の条件下で気体である物質として、具体的には、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ホルムアルデヒド、ケテン、アセトアルデヒド、ブタン、プロパンなどが挙げられる。これらは１種で用いても、または２種以上混合して用いてもよい。中でも好ましいのは、ジメチルエーテル単独、およびジメチルエーテルと具体例として上述した他の物質との混合物である。

ジメチルエーテルは、１気圧における沸点が−２４．８℃であり、−１０℃〜５０℃の大気圧において気体である。高効率なジメチルエーテルの製造方法および製造装置は、例えば特開平１１−１３０７１４号公報、特開平１０−１９５００９号公報、特開平１０−１９５００８号公報、特開平１０−１８２５２７号〜特開平１０−１８２５３５号の各公報、特開平０９−３０９８５０号〜特開平０９−３０９８５２号の各公報、特開平０９−２８６７５４号公報、特開平０９−１７３８６３号公報、特開平０９−１７３８４８号公報、特開平０９−１７３８４５号公報などに開示されており、これらに開示された技術に従い容易に得ることができる。

本発明の処理対象は、下水汚泥である。下水汚泥とは、家庭排水や工業排水等の排水を扱う下水処理場から排出される汚泥を意味する。本発明の方法により下水汚泥を処理するにあたっては、下水汚泥は予め脱水処理をされた、いわゆる脱水ケーキの形態であることが好ましい。脱水ケーキとは、下水汚泥を脱水して得られる固形状の物質を意味し、通常含水率は７５〜８５重量％（一般的な含水率は７８重量％程度）である。下水汚泥から脱水ケーキを得るための方法は、例えばフィルター、スクリュー、遠心機、ロール等を備えた装置による濾過濃縮、固液分離、圧搾などがあるが、本発明で用いられる脱水ケーキは、これらの方法を適宜選択して得ることができ、濾過濃縮および圧搾を組み合わせて得られるものが好ましい。脱水ケーキを得るための装置としては、ベルトプレス、遠心脱水機、スクリュープレスなどが挙げられる。

常温常圧の条件下で気体である物質の液化物を下水汚泥に接触させる際の接触方法は特に限定されず、常温常圧の条件下で気体である物質の液化物および下水汚泥を容器に収容して実施することができる。下水汚泥と前記液化物の量の比率は、適宜定めることができるが、下水汚泥中の水分（通常、含水率７８重量％前後）を溶解させて水分高含有の液化物を得るのに少なくとも必要とされる量以上であることが好ましい。すなわち、常温常圧の条件下で気体である物質の液化物と下水汚泥とを重量比２３３：１〜２３３：５０で接触させることが好ましい。また、例えば、常温常圧の条件下で気体である物質としてジメチルエーテルを用いる場合、２０℃における液化ＤＭＥに対する水の飽和溶解度は７．２重量％であるから、上述の下水汚泥中の水分量で換算すると、ジメチルエーテルに対する下水汚泥の濃度（汚泥濃度）が９重量％以上となる量で適宜定めることができる。また、上限については特に規定はないが、下水汚泥の量が少なすぎてもジメチルエーテルの接触が困難となることがあるので、例えば下水汚泥の濃度は２０重量％以下とすることができる。

ここで、常温常圧の条件下で気体である物質の液化物を、下水汚泥に接触させるには、該物質を液化物として液体状態のまま維持する必要がある。液化状態を維持するための方法は、特に限定されないが、液化物を飽和蒸気圧で維持することが望ましい。特に、温度条件を、−１０℃〜５０℃、中でも０〜４０℃の範囲で適宜設定することが望ましい。接触時間（脱水時間）は、下水汚泥や悪臭成分の種類や量（下水汚泥の場合は含水率など）、液化物の種類や量、接触方式等の条件に左右され、一義的に規定することは困難であるが、下水汚泥中の水分が液化物に十分に溶解する時間を適宜設定することができる。

下水汚泥に対する常温常圧の条件下で気体である物質の液化物の接触方式、液化物の接触量、接触時間等の温度及び圧力以外の条件は、下水汚泥中の水分が該液化物に溶解するような条件を適宜設定することができる。接触方式は、下水汚泥を液化物に浸漬する、下水汚泥に液化物を流通させるなど通常の接触方式で採られるどのような方法でもよい。また、向流接触後、下水汚泥を液化物に浸漬してから、再び向流接触を行なうなど、向流接触方式と他の接触方式とを適宜組み合わせて実施することも可能である。特に、接触効率を高める点から、撹拌や下水汚泥の小片化処理をあわせて行うことが望ましい。接触後には、通常、下水汚泥で接触させた液化物の固液分離を行い液層を得る。固液分離は常法に従い、静置による二層化、膜処理による分画等の処理等の通常の手段により行うことができる。

本発明の脱臭方法においては、続いて、前記処理物より常温常圧の条件下で気体である物質を気化する。気化は、温度条件および／または圧力条件を、上記接触の際の各条件よりも上昇させることにより行うことができる。

温度条件を上げる場合は、常温常圧の条件下で気体である物質の沸点を超える温度まで上昇させることが好ましいが、本発明では、常温常圧の条件下で気体である物質を利用するので、通常は、常温付近、すなわち外気温に近い温度条件で気化することができる。つまり、接触の際の冷却状態から常温状態に戻すだけで気化することが可能である。気化の温度条件としては、使用する液化物や圧力条件にもよるが、常温状態、−１０℃〜５０℃、特に０〜４０℃で行うことが好ましい。圧力条件を低下させる場合、その条件は液化物の飽和蒸気圧未満であり、温度条件に応じて適宜定めることができる。

気化の際は、常温常圧の条件下で気体である物質の少なくとも一部が気化されればよく、ある程度の量が残存する程度に行うことが望ましい。例えば、気化処理後の液層中に、常温常圧の条件下で気体である物質が、７６〜８９重量％、好ましくは８０〜８５重量％、特に８２重量％程度残存させておくことが好ましい。

本発明においては、下水汚泥に、常温常圧の条件下で気体である物質の液化物を接触させた後、当該液化物を気化することにより、下水汚泥中の悪臭物質である臭気成分を常温常圧の条件下で気体である物質の液化物とともに分離することができる。
本発明の脱臭方法により除去できる主な臭気成分としては、下水汚泥中の悪臭物質の臭気成分とされる硫化水素、メチルメルカプタン、硫化メチル、二硫化メチル等の硫化成分がある。このうち特にメチルメルカプタンに対し非常に優れた脱臭効果を奏することが、後述の実施例からも明らかである。尚、メチルメルカプタンの量については、ガスクロマトグラフ法により測定することが可能である。
これらの臭気成分、特にメチルメルカプタンは、主に硫黄分を含むタンパク質がアミノ酸をへて分解されることにより悪臭を発生すると考えられている。このメチルメルカプタンは常温で気体であるが、エーテルなどによく溶解するため、本技術を用いることで容易に分離可能となる。

また、常温常圧の条件下で気体である物質は、気化後に回収して再び液化させれば、下水汚泥への接触に再利用することができるので、資源保護の面で好ましい。

液化は、常温常圧の条件下で気体である物質の気体を液体に変換することを意味する。常温常圧の条件下で気体である物質の液化は、加圧および／または冷却、すなわち、加圧、または冷却、あるいは加圧と冷却との併用により行うことができ、具体的な実施条件は、使用する物質の標準沸点などを考慮して、適宜有利な条件を選択することができる。特に冷却を採用する場合は、冷却温度は、標準沸点に留めることが好ましく、また、脱臭を簡便に行う観点から、常温、すなわち外気温の範囲、例えば−１０〜５０℃、特に０〜４０℃の範囲で設定することが好ましい。

また、１気圧での沸点が０℃を超える物質を用いる場合は、沸点以上での冷却により液化を行うことが好ましい。これは、標準沸点以下では物質の飽和蒸気圧が１気圧未満であり、これが原因で装置の内部圧力が１気圧未満となるため、装置の製造コストの増大や、ハンドリングが困難になるためである。
加圧の条件については、一般化することは困難であるが、加圧下の沸点が常温、すなわち外気温の範囲、例えば−１０〜５０℃、特に０〜４０℃の範囲で設定することが好ましい。冷却と併用する場合には冷却温度に応じて、定めることができる。

（脱臭装置）
本発明の脱臭装置は、下水汚泥の脱臭を行う脱臭装置であって、下水汚泥と常温常圧の条件下で気体である物質の液化物とを接触させる接触槽と、前記接触槽において下水汚泥から悪臭物質を抽出した前記物質の液体と下水汚泥を固液分離させる固液分離槽と、分離後の液層から前記常温常圧の条件下で気体である物質の少なくとも一部を気体として抽出する濃縮器とを備えることを特徴とする。本発明の脱臭装置によれば、上記本発明の脱臭方法による下水汚泥の脱臭を効率的に進めることができる。

本発明の装置を図１および図２を参照しながら説明する。図１及び図２は本発明の脱臭装置の例である脱臭装置１及び２を、それぞれ概念的に示した図である。図１及び図２では、処理装置を構成する各手段に共通の符号を付けて示している。以下、図１の脱臭装置１について説明した後、図２の脱臭装置２について脱臭装置１と異なる箇所のみ説明する。

図１の脱臭装置１は、下水汚泥と、常温常圧の条件下で気体である物質の一例である液化ＤＭＥとを接触させる接触槽１５、接触槽１５から得られる処理物１６を下水汚泥の悪臭物質を含む液化ＤＭＥと下水汚泥を固液分離させる固液分離槽１７、固液分離槽１７での分離後の液層から前記常温常圧の条件下で気体である液化ＤＭＥの少なくとも一部を気体として抽出する濃縮器２０、下水汚泥を接触槽１５に供給するための下水汚泥供給部１３、及び液化ＤＭＥを接触槽１５に供給する液化ＤＭＥ供給部１１を備える。

図１に示す脱臭装置１において、液化ＤＭＥ供給部１１からは液化ＤＭＥ１２が、下水汚泥供給部１３からは下水汚泥１４が、それぞれ接触槽１５に供給される。供給量については本発明の脱臭方法において説明したとおりであり、例えば常温常圧の条件下で気体である物質の液体と下水汚泥とを重量比２３３：１〜２３３：５０で接触させることができる。接触槽１５における液化ＤＭＥと下水汚泥との接触条件についても、本発明の脱臭方法において説明したとおり、液化ＤＭＥが液体状態のまま維持される条件であれば特に限定はない。特に温度条件を−１０℃〜５０℃、中でも０〜４０℃の範囲で適宜設定することが望ましい。よって接触槽１５は温度調節が可能な槽、容器、材質であればよい。

接触槽１５における処理物１６は、液化ＤＭＥと下水汚泥の混合物であるが、この処理物が続いて固液分離槽１７に供給される。固液分離槽１７にて液層と固層とに分離され、液層は下水汚泥の悪臭物質を抽出した液化ＤＭＥから主になる液体１９として濃縮器２０に送られる。固層は悪臭物質が抽出された下水汚泥を含む無臭または微臭の処理物１８として排出される。濃縮器２０では液体１９の気化抽出が行われ、液化ＤＭＥの一部が気化されて気体２１となる。一方、下水汚泥の悪臭物質を抽出した液化ＤＭＥから主になる液体は、ＤＭＥを気化させることで下水汚泥の悪臭物質を含む排水２２として排出される。濃縮器にて液化ＤＭＥの気化処理を行うが、気化の際の温度条件および／または圧力条件は、上記接触槽における各条件よりも高温、高圧に設定することができる。温度条件および／または圧力条件については本発明の脱臭方法において説明したとおりである。濃縮器は、温度や圧力の調整手段、例えば熱交換器を適宜備えるものとして実現できる。このようにして図１の脱臭装置１によれば、悪臭が充分に低減又は除去された、無臭または微臭の処理物１８を得ることができる。

なお、接触槽１５、固液分離槽１７、濃縮器２０は、それぞれ異なる容器や槽により実施することができるが、内部の温度や圧力を調整できる共通の容器や槽としてもよい。

図２の脱臭装置２は、図１の脱臭装置１と比較して、ＤＭＥ分離液化装置２３を更に備える点で異なる。濃縮器２０から得られた気体２１は、気化ＤＭＥを含むが、この気体２１をＤＭＥ分離液化装置２３に供給することにより、気化ＤＭＥを液化して液化ＤＭＥ２４を得ることができる。ＤＭＥ分離液化装置は、例えば、蒸発器や圧縮機の組み合わせなどで実施することができる。

再生された液化ＤＭＥ２４は接触槽１５に再び供給される。なお、脱臭装置２においては、接触槽１５に対し、液化ＤＭＥ供給部１１からの液化ＤＭＥ１２供給と再生された液化ＤＭＥ２４供給の両方がなされているが、再生された液化ＤＭＥ２４のみ供給されるものであってもよい。

実施例１
下水汚泥を以下のようにジメチルエーテル（ＤＭＥ）で処理して脱水汚泥を得た。尚、以下の試験にて用いた「容器１」および「容器２」には、それぞれ、減圧用のバルブ付き管が接続されている。
まず、内容積９６ｍｌの「容器１」に、悪臭のする下水汚泥（脱水ケーキ（含水率７８重量％））２．１５ｇおよび液化ＤＭＥ２３．３ｇを入れ、５分間撹拌（回転数６００〜７００ｒｐｍ）した。なお、この下水汚泥と液化ＤＭＥの比率は、下水汚泥（含水率７８重量％と仮定）中の水分が、すべて液化ＤＭＥに飽和濃度（２０℃において７．２重量％）で溶解する場合の比率である。

５分間の撹拌の後、１０秒間以上静置して汚泥を沈澱させた後、加圧条件を維持したまま「容器１」の液化ＤＭＥの上澄み液を吸い出して、「容器１」に連結されている「容器２」に１５．８ｇ移した。

その後、「容器２」のバルブを開き減圧して液化ＤＭＥを蒸発させた。その結果、「容器２」底部に、悪臭のする処理物が残留した。この処理物より水分を蒸発させた結果、水分は０．８７ｇ、油状の悪臭成分は０．１２ｇであることを確認した。

また、「容器１」の液化ＤＭＥの上澄み液を吸い出して、「容器１」に連結されている「容器２」に移した後に、「容器１」のバルブを開き、「容器１」内に残存している液化ＤＭＥを減圧させ蒸発させた。その結果、残留物として脱水汚泥１．１９ｇが得られた。脱水汚泥の悪臭は、明らかに低減されているのを確認した。物質収支を確認した結果、水分と油状の悪臭成分と脱水汚泥との合計重量は２．１８ｇであり、試料とした下水汚泥の重量２．１５ｇと誤差１％程度であることを確認した。
尚、上述の数値は同様の試験を１８回行い得られた結果の平均値である。

この脱水汚泥中の臭気成分量について、ガスクロマトグラフ法によって測定した結果を表１に示す。また、臭気濃度と臭気指数は、「臭気指数および臭気排出強度の算定の方法」環境庁告示第６３号（平成７年９月１３日公布）に基づき算定した。
試料検体を約２５℃の室温にて２２時間放置後、内部ガスを別のテドラーバッグに移し替え分析用検体とした。

表１から明らかな通り、メチルメルカプタンおよび硫化メチル等の硫化成分、特にメチルメルカプタンについて、顕著な臭気低減が確認された。

Claims

下水汚泥に、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ホルムアルデヒド、ケテン、アセトアルデヒド、ブタン、およびプロパンから選ばれる１種または２種以上の混合物である常温常圧の条件下で気体である物質の液化物を接触させた後、当該液化物を気化することを特徴とする下水汚泥の脱臭方法。
前記下水汚泥は、脱水ケーキであることを特徴とする請求項１に記載の脱臭方法。
下水汚泥の脱臭を行う脱臭装置であって、
下水汚泥と、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ホルムアルデヒド、ケテン、アセトアルデヒド、ブタン、およびプロパンから選ばれる１種または２種以上の混合物である常温常圧の条件下で気体である物質の液化物とを接触させる接触槽と、
前記接触槽において接触させた、前記物質の液体と下水汚泥を固液分離させる固液分離槽と、
分離後の液層から前記常温常圧の条件下で気体である物質の少なくとも一部を気体として抽出する濃縮器と
を備えることを特徴とする脱臭装置。